Способ контроля качества полупроводникового материала

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБПРН 23 938 1 Ь 21/66 ЕЛА П ией облучают кванта Ь111 по 01устанавл гамма-лучами ия акс =(о 6 о)( )с 1 т с 11" пороговая энерг кванта, необходдля образования ного дефекта ст Рыфмаксимальная эн аяочеч кту гия кс при котооздаютсяг ппов кванта, Реще не ссложные ру ыесекты;доля объема образанимаемая обласпространственногряда скоплений эчески активных цв темноте в облуном материале;то же в необлучематериале;доза облучения,а,ми ектри нтроенн ХО(56) И. Эпопее е а 6, ЕоЬ Рсзапс 1 РоРахСу п СЙТе СгузаРз.Ю. Арр. Роуз, 1962, ЗД, В 8,р. 2578-2582.Витовский Н.А. и др. Определение заряда квазиточечных скопленийв компенсированных кристаллахппР, ФТП, 1982, 16, с, 1122-1124(54)(57) С 11 ОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВАПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА путемосвещения материала светом с энергией квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетпки спада отопроводимости,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения чувствительностиспособа, перед освещением материал 9удовлетворяющеи у Ь 0 иакс а дозу облу ивают из условия11Изобретение относится к полупроводниковой техники и может быть использова-,о для контроля качества полупроводниковых материалов.Известен способ контроля качества полупроводниковых материалов, основанный на получении ямок травления.на ориентированньгх гранях кристаллов,и определении их плотносГти путем наблдения ,в микроскоп.,Недостатком этого, способа являъетбя.то, что он чувствителен только к:крупномасштабным дефектам, например дислокациям,"и не дает возмож" ности выявить мелкие скопления, состоящие из единиц электроактивных центров, а также определить число частиц, входящих в состав скоплений.Наиболее близким является способконтроля качества полупроводникового материала путем освещения материала светом с энергией квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетики спада фото- проводимости. Контроль качества материала производится по величине фотопроводимости и длительности ее спада после включения освещения. Иерой пеоднородности исследуемого материала, указывающей на количество М скоплений электроактивных центров, является величина Г - доля объема образца, занятая скоплениями центров и окружающими их областями пространственного заряда ),ОПЗ) в темноте. Этой величиной определяется относительная фотопроводимость материала, содержащего скопленияИцентров в .(т - проводимость оббтразца в темноте, ЬВ - добавка проводимости обвазца при освещении. Связь между - иизвестна изл 8ттеории эффективной среды66 ЭЬ тт) )2 ттСпособ-прототип обладает следующим недостатком: если скопления малы, то размеры создаваемых ими областей пространственного заряда могут быть меньше длины свободного пробега основных носителей заряда, Такие микроскопления электроактивных центров слабо проявляются в электрических свойствах материала и не обнаруживаются способом-прото уТццсщ(0,6-(ц)() (Ъ) где Ь 1 попороговая энергия кванта, необходимая дляобразования точечногодефекта структуры;максимальная энергиякванта, при которой ещене создаются сложныегрупповые дефекты;доля объема образца,занимаемая областями 35 40 пространственного заряда скоплений электри 45чески активных центровв темноте в облученном материале;, - то же в необлученномматериале,50- доза облучения,На фиг. 1-6 показана величинаьбсигнала фотопроводимости - и кибтнетика спада этого сигнала после55 выключЕния освещения в различныхполупроводниковых материалах. Навсех фигурах кривые 1 получены приисследовании материала по предлагае 18238 2типом. Однако они могут служить1зародышами для роста более крупныхскоплений электроактивных центровв процессе работы приборов, изготовленных на основе материала, содержащего такие микроскопления. Поэтомуиспользование полупроводниковогоматериала, который при анализепо способу-прототипу оценивается О как однородный, может привести кбраку при производстве электронныхприборов. Следовательно, чувствительность способа не достаточна.Цель изобретения - повышение чув ствительности способа.Эта цель достигается тем, что вспособе контроля качества полупроводникового материала путем освещения материала светом с энергией 20 квантов из области края собственногопоглощения и исследования кинетикиспада фотопроводимости, перед освещением материал облучают гамма-лучамн с энергией кванта О, удовлет воряющей условиюйоо 1-иакс 2)- 4а дозу облучения устанавливают изусловияс118238 40 45 50 55 31мому способу. кривые 2 - по способупрототипу (приведены дпя сравнения).Фиг. - кремний р-типа, ныращеццый по методу Чохральского и подвергнутый термообработке (600 "С нтечение 6 ч).Фиг,2 - кремний Р -типа, выращенный по методу Чохральского и подвергнутый термообработке (900 С,24 ч),Фцг.Э - арсенид галлия П -типа,полученный методом Чохральского специально це легированный,Фиг.4 - фосЬид индия П -типа,полученный зоцной планкой, легированный медью.Фиг.5 - фосЬид индия г -типа,полученный зоццой плавкой, легированный цинком.Фиг.б - геллурид кадмия и -типаполученный зоццой планкой спейиальцо це легированный.Существо изобретения поясняетсяследующим.Под действием гамма-облученияскопления электроактинцых центров необразуются, а имевшиеся до облучения скопления растут, т,е. число Хвходящих в цп:; электроактинцых центров возрастает. Существование этогоявления установлено достоверно, хотяпричина роста скоплений электроактивных центров к настоящему времени невыяснена: возможно, что имеющиесяскопления захватывают точечные дефекты, возникающие в результате облучения, но це исключено, что увеличение 7. связано с превращением имевшихся в цих ранее электрически неактивных центров н электроактивцые.Кроме того, изменение положенияуровня Ферми при облучении приводитк росту дебаевского радиуса,и,следовательно, к увеличению радиусаобластей пространственного зарядавокруг скоплений электроактивныхцентров. Это еще более повышаетчувствительность предлагаемого способа. Таким образом, путем облучения гамма-лучами можно увеличиватьмалые скопления электроактивцыхцентров и делать их доступными дляобнаружения.Энергия кванта Ь должна бытьдостаточной для создания точечныхдефектов, т.е. должна быть большепорогового значения 61 причем величина 611 является характеристикой вещества и известна для всех полупроводников, находящих практическое применение,1 обычно составляет несколь сот кэВ, С другойстороны, энергия Ь должна быть не5больше значения 11которое также является характеристикой вещества, поскольку при 1 Омскмогутсоздаваться не точечные, а сложныегрупповые дефекты типа разупорядоченцых областей, которые могут проявиться как новые скопления электроактинных центров. Для большинствапрактически важных полупроводниковЬ .10 МэВ,Доза облучения Г выбирается изусловия (3). Наличие множителя(0,6-) в условии (3) связано с тем,что при приближении величины-+ - тк значению 0,666 существенД 120"дно изменяются условия протекания тока через образец: происходит переходот объемной проводимости к протека 1. нию по ограниченному числу путей,итеория эффективной среды становитсянеприменимой.Отклонения от условийобъемной проводимости становятсязначительными при= 0,6. Множитель(Д-определяет скорость роста доли30 дТобъема, занимаемой ОПЗ при облучении, Связь между у исложна иТопределяется в значительной мереразмерами имеющихся зародышей скоп.лений электроактивных центров. Поэтому для различных материалов дозаподбирается индивидуально ца основании данных о величинахи -ХАоЗначенияи -находятся экспедУримецтально.Предлагаемый способ бып практически применен для контроля качестваполупроводниковых материалов, относящихся к трем основным классам:1 -элементарным полупроводникам (кремний), 11 - соединениям типа А В (арсенид галлия, фосфид индия) и 111 -соединениям типа А В (теллурид кадмия),Практически для создания однородно распределенных точечных радиационных дефектов всегда используется облучение гамма-лучами Со,Это связано с двумя обстоятельствами:облучение радиоизотопными источниками гораздо удобнее, чем потокамирентгеновских илц гамма-лучей, по 11182381 О лучаемыми от рентгеновских установокили от ускорителей, изотопцые гамма-установки проще в эксплуатации.1. Кремций.5Исследовался кремний Р -типа,.выращенный по методу Чохральского,н прошедший термообработки: а) при600 С в течение 6 ч (фиг.1) и б)при 900 С в течение 24 ч (фиг.2).Известно, что при таких термообработках в кремнии возникают электроактивные центры - термодоноры,но це было известно, распределены литермодоноры однородно по объему илисобраны в скопления.Из слитков кремния вырезалисьобразцы в форме прямоугольных параллелепипедов размерами 8110,5 мм.Образцы шлифовались абразивным порошком М, травились в травителеДеша (3 части ШЯО 1 часть НГ,8- 12 частей С 11, СООН) в течение10-12 ч, промывались в. дистиллированной воде, Затем в ним делались омические контакты, Для этого использовался сплав 971 п и ЗСа, который наносился на поверхность образцаобычным паяльником мощностью 50 Втбез флюса. Контакты делались на торцах (грани 1 т 0,5 мм ) - для пропускания тока и зондовые, Ф 0,3 мм подва с каждой стороны на гпанях80,5 мм - для измерения фотопроводимости зоцдовым методом.Образцы подвергались гамма-облучению на лабораторной установкепри комнатной температуре, Источником гамма-излучения служил изотоп60Со, средняя энергия кванта которого 14 = 1,25 МэВ удовлетворяетуказанному выше условию (2):Ь 11 п,р Я Ь 4 Действительно для крем. ния Ь 1 пар = 150-240 кЭв иЬ 4, ) 10 МэВ. Доза облучения составляла (3-4) 10 рад, что соответствует условию (3), поскольку величина г, в цеоблученном материалесоставляла 0,2 и 5,8 , а скоростиизменения Г при облучении были найдены экспериментально и оказались(фиг,2)Исследования величины и кинетики спада фотопроводимости проводились стандартным методом с использованием однократных импульсов возбуждающего света иэ области краясобственного поглощения. Источникомсвета служил осветитель ОИс фотографическим затвором со скоростьюсрабатывания м 1 мс. Свет поступалк образцу по светопроводу, причемперед образцом помещался кремниевыйфильтр толщиной 0,15 мм. Фильтр располагался на держателе вместе с образцом и имел ту же температуру, чтои образец (это обеспечивало однородное поглощение света по всей толщеобразца). Образец с фильтром помещался в жидкий азот, измерения проводились при Т = 77,4 К. Источником тока служил аккумулятор, ЭДСкоторого равнялась 6,55 В. Сигналснимался с цагрузочного сопротивления Й = 620 Ом и регистрировалсяца запоминающем осциллографе С-13.11 а фиг,1 и фиг,2 представленырезультаты исследования сигнала фотопроводимости Р -кремния, выращенного по методу Чохральского ипрошедшего термообработку при600 С (фиг.1),и 900 С (фиг,2).Кривые 1 получены при использованиипредлагаемого способа. Для сравнения приведены кривые 2, полученные при исследовании тех же самыхобразцов кремния по способу-прототипу (в тех же условиях - на той жеустановке, при тех же значениях параметров измерительной цепи, притой же интенсивности освещения).Видно, что при одной и той же степени неоднородности (образцы одни ите же) сигнал, получаемый при использовании предлагаемого способа(кривые 2), а спад сигнала послевыключения оказывается гораздо более продолжительным, Таким образом,чувствительность предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом значительно выше.11. 1. Полупроводниковый материал - соединения типа .А В - арсецид галлия П -типа,Исследовался арсенид галлия специальцо не легированньй, с концентрацией доцорной примеси И,= 2,33 10 сми компенсирующей акцепторной примеси йр, = 9,3 10 " смОбразцы размером 8 1 ф 0,5 шлифовались абразивным порошком М,травились в кипящей перекиси водорода в течение 5-10 миц и промывалисьв дистиллированной воде. Контакты изготовлялись путем вварки чистогоиндия в атмосфере водорода прио360 С в течение 20 мин с последующим охлажпецием (2 ч) до комнатнойтемпературы. После вварки контактовобразцы повторно травились в кипящей перекиси водорода в течение3 мин и промывались в дистиллированной воде.Облучение производилось на лабораторной гамма-установке, описан- .ной в примере 1,при комнатной температуре, Энергия кванта гамма-излучения Ь= 1,25 МэВ удовлетворяет. условию (2), поскольку для СаАБ, исоставляли соответственносЯЕ,дм0,767 и 7,75 ф 10 Х рад ". Методикаи техника отличались от использованных в примере 1 только тем, что вкачестве светофильтра использовалась пластинка арсенида галлия толщиной 0,25 мм. Это обеспечивалооднородное возбуждение обьема образца светом из области края собственного поглощения.На фиг.3 представлены результатыисследования сигнала фотопроводимости в арсениде галлия. Кривые 1и 2 получены при использованиипредлагаемого способа и способапрототипа на одном и том же образце и при всех прочих равных условиях. Видно, что чувствительностьпредлагаемого способа выше, чемспособа-прототипа.11. 2. Полупроводниковый мате 5риал - соединение типа АВ - фосфид индия П -типа.Исследовался фосфид индия и -типа, легированный компенсирующей акцепторной примесью: а-Си, коццец 15. трация мелких доноров Ир = 9 10 см-э,концентрация акцепторов (меди) Нв =Я(см,фиг.5). Из обоих этих материалов вырезались образцы в виде прямоугольных параллелепипедов размерами 810,5 мм. Образцы шлифовались абразивным порошком Мипромывались в воде и спирте. Затем к ним припаивались контакты цзсвинца. При пайке использовалсяфлюс особой чистоты. Геометрия размещения контактов была такой же,как в примерах 1 и 11,1.Облучение производилось на лабораторной гамма-установке прикомнатной температуре, Средняяэнергия гамма-кванта Ь 1 = 1,25 МэВ 1 Оудовлетворяет условию (2), поскольку для фосфида индия Ьпор =- 270 кэВ - для 1 п и 110 кэВ - дляР,а Ь 1/м ).10 МэВ,Дозы облучениябыли выбраны равными 4,5 10 рад,поскольку величинав обоих материалах оказалась равной ,= 0,97,а составляла (7+1) 10 7 рад4 тОчМетодика и техника измерений не отличались существенно от использованных в примерах 1 и 11.1, Единственное отличие состояло в том,что в качестве светофильтра использовалась пластинка 1 пР толщиной-" 0,5 лм, чтобы обеспечить возбуждение из области края собственногопоглощения.На фиг. 4 и 5 соответственнопредставлены результаты исследования сигнала фотопроводимости випР:Сц и ипР:Еп. Кривые 1 получены при использовании предлагаемого способа. Кривые 2 - для сравнения - получены при использованииспособа-прототипа ца тех же образ цах и при всех прочих равных условиях. Видно, что чувствительностьпредлагаемого способа выше, чемспособа-прототипа.1111. Полупроводниковый материал - 40 соединение типа АВ - теллурид6кадмия Т;-типа.1.Исследовался теллурид кадмия,специально це легированный, с концентрацией Ур,510 смз . Из 45 материала вырезался образец в видепрямоугольного параллелепипеда размером 8 к 10,5 ммз. После шлифовкиабразивным порошком Ми травления на образец наносились элек тролитически медные контакты, ца которые цапаивался индий. Геометрияконтактов была такая же, как в примере 1 и 11. Облучение производилось ца гамма установке, описан ной .в примере 1, при комнатной температуре. Источником гамма-излуче 1ния служил ОСо. Средняя энергиягамма-кванта Ы = 1,25 ИэВ удовлетворяет условию (2), поскольку для МТе. 1 = 235 кэВ (Сд) и340 кэВ (Те), Ьк,) 1 О 11 эВ. Лоза облучения была равной Р = 910 рад,9 поскольку величина 1 в материале оказалась равной 1,= 0,87, асН дФ составляла 2,7 10 Е рад" . Методика и техника измерений отличалась от использованных в примерах 1 и 11 только тем, что в качестве светофильтра использовалась пластинка СЙТе толщиной ". 0,45 мм, чтобы обеспечить однородность возбуждения из области края собственного поглощения.На иг.б представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости в СЙТе. Кривые 1 и 2 получены при использовании соответственно прецлагаемого способа и ,чособапрототипа на одном и том же образце 1 18238при прочих равных условиях. Видно, что чувствительность предлагаемого способа выше, чем способа-прототипа. 5 Как видно из примеров реализациипредлагаемого способа, чувствительность его по сравнению с прототипом повышена от 3 до 15 раз. Это позволит произвести более точную разбраковку полупроводниковых материалов, идущих на изготовление различных полупроводниковых приборов, и уменьшить процент их брака. В настоящее время разбраковка идет на уровне 15 готовых приборов, при этом пропадаеттруд, затрачиваемый на их изготовление, вспомогательные материалы, контакты и т.д. Наш способ дает возможность разбраковки на уровне мате риала. Это приводит к экономии материалов оборудования и трудовых затрат при изготовлении приборов,. 5 Щ4 с РХ каз 793/3 Тираж 644 Подписи НИИПй иал ППП "Патент", .г.Ужгород, ул.Проекты